Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung der ZHAW kooperiert beim Metall-3D-Druck mit Renishaw

Additiv fertigen – forschen, entwickeln, lehren

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Am Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW in Winterthur ist die Additive Fertigung schon seit mehreren Jahren nicht nur Teil der angewandten Forschung und Entwicklung, sondern auch Teil des Ausbildungsprogramms. Renishaw und das ZPP arbeiten auf dem Gebiet des pulverbettbasierten Laserschmelzens eng miteinander zusammen.

Das Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) der ZHAW ist auf innovative Produkt- und Prozessentwicklung spezialisiert – von der Vision bis zum Produkt. Die Forschung konzentriert sich auf neuartige Methoden, Werkzeuge und Verfahren zur effizienten Entwicklung innovativer Produkte. Es werden die neuesten digitalen 3D-Tools und -Technologien für eine moderne Produktentwicklung verwendet, um diese zu beschleunigen und die Qualität der Produkte und Prozesse zu verbessern. Am ZPP sind fortschrittliche Fertigungstechnologien im Einsatz und werden unter qualitativen und wirtschaftlichen Zielen weiterentwickelt.

Im Schwerpunkt Advanced Production Technologies wird neben dem HPC (High Performance Cutting) an neuen additiven Fertigungstechnologien geforscht. Insbesondere wird das „Selective Laser Melting (SLM)“ von komplexen Metallstrukturen, einschließlich neuer Konstruktionsregeln für die Produktentwicklung und der Bestimmung idealer Prozessparameter für bestimmte Materialien und Anwendungen weiterentwickelt. Das ZPP ist mit zwei hochmodernen additiven Laserschmelzsystemen von Renishaw (AM250, AM400 HT) ausgestattet. Derzeit umfasst die Palette der verarbeiteten Materialien neben Titan- und Aluminiumlegierungen, Edelstahl 1.4404, Werkzeugstahl 1.2709, Vergütungsstahl 1.6580 und auch die Nickel-Chrom-Legierung 2.4668 (Inconel 718).

„Mit unseren Aus- und Weiterbildungsangeboten sowie unserer Arbeit in angewandter F&E fokussieren wir eindeutig auf die industrielle Praxis“, sagt Andreas Kirchheim. Er leitet den Schwerpunkt Advanced Production Technologies und Additive Manufacturing.

Fertigungstechniken optimieren

„Seit nun mehr sechs Jahren betreiben wir F&E in der besonders zukunftsträchtigen additiven Fertigung metallischer Bauteile“, wie Kirchheim ausführt. Deshalb konzentrieren wir unsere Tätigkeit darauf, geeignete Verfahren und Maschinen intensiv weiterzuentwickeln und zu optimieren. Die Forschung und Entwicklung am ZPP orientiert sich an aktuellen Forderungen und Aufgaben der Industrie.

Industrieller 3D-Druck

So trägt er und sein Team beispielsweise dazu bei, die beiden AM-Anlagesysteme AM 250 und AM 400HT von Renishaw und die darauf ablaufenden Prozesse zum selektiven Laserschmelzen noch weiter zu optimieren. Beide Systeme sind für die industrielle Fertigung aber auch sehr gut für die Forschung entwickelt und geeignet. Die AM 400HT verfügt über einen Laser mit 400 W Strahlleistung und einen 234 x 234 x 230 mm messenden Arbeitsraum mit beheiztem Bauraum bis 495 °C. Der Pulverwerkstoff wird in einem großen Pulvertank – sehr gut zugänglich – bevorratet und kann bei laufendem Prozess nachgefüllt werden. So können Bediener schnell und sauber die Pulver nachfüllen und gegebenenfalls wechseln. Diese sind zudem gegen Feuchtigkeit und Verschmutzen bestens geschützt. Auch die beim Laserschmelzen verbleibenden Pulverreste werden in einem separaten Behälter gesammelt, die hauptzeitparallel gewechselt und geleert werden können. Somit lässt sich das Restpulver unverzüglich aufarbeiten und für den weiteren Prozess erneut verwenden.

Für diese Pulverbett-AM-Systeme hat das Team um Kirchheim in Zusammenarbeit mit Renishaw unter anderem einen Beschichtungsteststand zur Untersuchung und Optimierung des Pulverauftrags entwickelt und gebaut. Diese Prüfstände sind nun in verschiedenen anderen Forschungsinstituten erfolgreich im Einsatz. Des Weiteren wurde ein Beschichter, der die zwischen 20 und 100 µm dünnen Pulverschichten aufträgt und einebnet, für Renishaw auf die Anwendung angepasst und deutlich vereinfacht. Durch diese Optimierung lässt sich die Silikon Beschichterlippe erheblich schneller und kostengünstiger wechseln.

Insbesondere für Industriepartner werden additiv fertigungsgerechte Produkte mit einem optimalen Mehrwert für den Kunden entwickelt. Hierzu müssen oftmals auch die Prozessparameter für die verschiedenen Pulverwerkstoffe angepasst oder entwickelt werden. Für den Einsatz in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt betrifft dies beispielsweise Titan- und Aluminiumlegierungen (Ti6Al4V, AlSiMg10) sowie Stahllegierungen im Maschinen- und Werkzeugbau (unter anderem Werkstoffe 1.4404, 1.2709, 1.6580).

Gesamtprozesse betrachten

Darüber hinaus optimieren sie die gesamte Prozesskette vom Aufbereiten der 3D-CAD-Modelle über das Laser-Schmelzverfahren bis zum Abtrennen sowie mechanischen und thermischen Nachbearbeiten der additiv gefertigten Bauteile. Auch mit der zunehmend geforderten Automatisierung der additiven Fertigung befassen sich die Experten. Beispielsweise konzipieren sie Nullpunkt-Spannsysteme, die durchgängig auf Additive Manufacturing Anlagensystemen und spanend bearbeitenden Maschinen zum Fertigbearbeiten der additiv gefertigten Bauteile geeignet sind.

Wie Kirchheim anmerkt, erweist sich die Additive Fertigung allerdings nur unter besonderen Bedingungen als profitabel. Bauteile, die konventionell gefertigt werden können, additiv herzustellen, sei meist nicht sinnvoll. „Vor allem ist es wichtig, dass die additiv gefertigten Bauteile Merkmale haben, die bisher bei üblicher Fertigung durch abtragende Fertigungsverfahren nicht zu verwirklichen waren. Das betrifft beispielsweise die Integration mehrerer Funktionen, den Entfall von Montageaufwand und den Leichtbau bei gleicher oder sogar höherer Festigkeit“, ergänzt Kirchheim.

Als Beispiel führt er die heute schon üblichen konturnahen Kühlkanäle an, die beim Spritz- und Druckgießen die Zykluszeiten deutlich verkürzen oder das Spritz- und Druckgießen einiger besonderer Geometrien überhaupt erst ermöglichen. Nach diesem Konzept haben die Mitarbeiter am Zentrum in Winterthur auch Zahnräder mit innenliegenden Kühl- und Schmierkanälen oder in Leichtbaustrukturen entwickelt. Dadurch werden sie zum einen leichter und haben ein niedrigeres Trägheitsmoment, um beispielsweise kompaktere Getriebe zu realisieren. Zum anderen verlängern die innere Kühlung und die Zufuhr von Schmiermitteln die Lebensdauer.

Renishaw GmbH
www.renishaw.de

Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung an der ZHAW
www.zhaw.ch/zpp


Weiterbildungsangebote des ZHAW ZPP

  • Certificate of Advanced Study CAS „Additive Fertigung”
  • Tagung am 03.09.2019 am ZPP/ZHAW
  • Workshops und Trainingskurse zur additiven Fertigung

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